EP1507488B1 - Arrangement for determining function-determined geometric variables of a joint of a vertebrate - Google Patents

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EP1507488B1
EP1507488B1 EP20030752711 EP03752711A EP1507488B1 EP 1507488 B1 EP1507488 B1 EP 1507488B1 EP 20030752711 EP20030752711 EP 20030752711 EP 03752711 A EP03752711 A EP 03752711A EP 1507488 B1 EP1507488 B1 EP 1507488B1
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multi
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Jan Stifter
Holger Broers
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Smith and Nephew Orthopedics AG
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PLUS Orthopedics AG
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    • A61F2/4612Special tools or methods for implanting or extracting artificial joints, accessories, bone grafts or substitutes, or particular adaptations therefor for insertion or extraction of endoprosthetic joints or of accessories thereof of shoulders

Abstract

The invention relates to an arrangement for determining function-determined geometric variables of a joint of a vertebrate, especially a hip or shoulder joint of human, in order to prepare the insertion of a joint replacement implant, especially a hip or shoulder socket or a shaft implant belonging thereto, by means of an optical co-ordinate measuring method. Said method comprises a stereocamera or camera arrangement for the spatial detection of optical transmitter signals; a mobile multipoint transmitter which is embodied as a displaceable sensor for sensing bony references in the joint area in order to determine co-ordinates therefrom; at least one skeletally secure multipoint transmitter which is used for rigid attachment, especially for screwing or clamping (in a section arranged at a sufficient distance from the joint) an extremity protruding from the joint, especially close to the proximal end of a femur or a humerus.

Description

  • [0001]
    Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung von funktionsbestimmenden geometrischer Größen eines Gelenkes eines Wirbeltiers. The invention relates to an arrangement for determining function determining geometric parameters of a joint of a vertebrate.
  • [0002]
    Chirurgische Eingriffe zur Ersetzung von Gelenken oder Gelenkbestandteilen beim Menschen sind seit langem bekannt und gehören in den Industrieländern zum klinischen Alltag. Surgery to replace joints or joint components in humans have long been known and are in the industrialized countries for clinical practice. Es gibt auch seit Jahrzehnten eine intensive Entwicklungsarbeit zur Bereitstellung und fortlaufenden Verbesserung entsprechender Implantate, insbesondere von Hüftgelenksimplantaten, zunehmend aber auch von Knie-, Schulter- und Ellenbogengelenkimplantaten sowie auch von Wirbelkörperersatzimplantaten. There are also decades intensive development work to provide and continuous improvement of appropriate implants, especially hip implants, but increasingly by knee, shoulder and elbow joint implants as well as of vertebral body replacement implants. Parallel zu diesen Entwicklungen, die inzwischen zu einer fast unübersehbaren Vielfalt von derartigen Implantatkonstruktionen geführt haben, werden auch geeignete Operationstechniken und -hilfsmittel bereitgestellt und fortentwickelt, insbesondere auch auf die jeweiligen Implantatkonstruktionen angepasste Werkzeuge zum Einsetzen derselben. Parallel to these developments, which have now led to an almost immense variety of such implant restorations, suitable surgical techniques and tools are provided and further developed, in particular to the specific implant designs customized tools for inserting same.
  • [0003]
    Es versteht sich auch, dass Gelenkersatzoperationen die Gewinnung geeigneter Abbildungen des jeweiligen Gelenkbereiches vorangeht, auf deren Grundlage der Operateur ein geeignetes Implantat und seine Operationstechnik festlegt. It is also understood that joint replacement operations preceding the extraction of appropriate images of the respective joint region, on the basis of the surgeon determines the appropriate implant and its surgical technique. Wurden hierzu früher zumeist Röntgenaufnahmen verwendet, sind in den letzten Jahren auch Computertomogramme zum Handwerkszeug des Operateurs geworden. Were this past mostly radiographs used that computer scans the tools of the surgeon have become in recent years. Dessen ungeachtet ist der dauerhafte Erfolg von Gelenkersatzimplantationen auch heute noch eng mit der Erfahrung des Operateurs korreliert, was zu einem beträchtlichen Teil auf die nicht zu unterschätzenden Schwierigkeiten der adäquaten intraoperativen Nutzung bildlicher Darstellungen zur optimalen Ausrichtung der Teile des Gelenkimplantates in Bezug auf die effektiven Gelenkzentren und Belastungsachsen des einzelnen Patienten zurückzuführen ist. Nevertheless, the long-term success of joint replacement implants is still closely correlated with the experience of the surgeon, resulting in a considerable part of the not inconsiderable difficulties of adequate intraoperative use of pictorial representations for optimal alignment of the parts of the joint implant in terms of effective joint centers and stress axes of the individual patient is due.
  • [0004]
    Es hat daher in den letzten Jahren verstärkt Bemühungen zur Bereitstellung entsprechender Positionierungs-Hilfsmittel und -Verfahren für den Operateur gegeben, die im wesentlichen aus Entwicklungen auf dem Gebiet der Roboter- und Handhabungstechnik abgeleitet sind. There have therefore been in recent years intensified efforts to provide appropriate positioning aids and procedures for the surgeon, which are essentially derived from developments in the field of robotics and handling technology.
  • [0005]
    Die The EP 0 553 266 B1 EP 0553266 B1 oder or US 5,198,877 US 5,198,877 beschreiben ein Verfahren und ein Gerät zur kontaktlosen dreidimensionalen Gestaltdetektierung, das Anregungen zur Entwicklung medizinischer "Navigations"systeme und -verfahren gegeben hat; describe a method and apparatus for non-contact three-dimensional Gestaltdetektierung, the suggestions for development of medical "navigation" systems, and given procedures; vgl. see. auch die ausführlichen Literaturhinweise in diesen Druckschriften. the detailed references in these documents.
  • [0006]
    Aus der From the US 5,871,018 US 5,871,018 und der and the US 5,682,886 US 5,682,886 sind Verfahren zur Ermittlung der Belastungsachse des Femurs bekannt. Methods are known for determining the mechanical axis of the femur. Gemäß diesen Verfahren werden in einem ersten Schritt die Koordinaten des Femurs beispielsweise durch eine Computertomographieaufnahme ermittelt und in einem Computer abgespeichert. According to these methods, the coordinates of the femur for example be determined by a computerized recording and stored in a computer in a first step. Mit Hilfe der abgespeicherten Daten wird dann ein dreidimensionales Computermodell des Femurs erstellt, und anhand dieses Modells werden die optimalen Koordinaten für das Ansetzen einer Lehre an den Knochen sowie einer anschließend einzusetzenden Knieprothese berechnet. With the aid of the stored data, a three-dimensional computer model of the femur is then created, and based on this model, the optimal coordinates for attaching a jig to the bone and a subsequently employed prosthetic knee are calculated. Grundlage hierfür ist die Berechnung der Belastungsachse des Femurs. The basis for the calculation of the mechanical axis of the femur.
  • [0007]
    Nach einer derartigen Simulation wird der Femur des Patienten fixiert, und mit einer Registrierungseinrichtung werden einzelne Punkte an der Femuroberfläche abgetastet, um die Orientierung des Femurs für die durchzuführende Operation festzustellen. After such a simulation of the femur of the patient is fixed, and with a single registration feature points are sampled at the femoral surface to determine the orientation of the femur for the operation to be performed. Dieses Abtasten des Knochens erfordert, dass entweder große Teile längs des Femurs möglichst bis zum Hüftgelenk hin offengelegt sein müssen, um deren Oberfläche mit der Registrierungseinrichtung abtasten zu können, oder eine Art Nadel zum Durchstechen der Haut bis auf den Knochen als Abtastinstrument benutzt wird. This scanning of the bone requires that either large parts must be disclosed along the femur as possible to the hip joint out in order to be able to scan the surface with the registration means, or a type of needle to pierce the skin to the bone, used as a scanning instrument. Da jedoch jeder operative Eingriff für den Patienten ein Risiko darstellt und Nadelstiche Blutergüsse und ein zusätzliches Infektionsrisiko in den Knochenpartien verursachen, ist es nicht wünschenswert, einen zusätzlichen operativen Eingriff im Bereich der Hüfte vorzunehmen oder Nadeleinstiche entlang des Femurs durchzuführen, um den Ort des Rotationszentrums festzustellen. However, since each surgical procedure to the patient poses a risk and cause pinholes bruising and an additional risk of infection in the bone parts, it is not desirable to perform an additional surgical intervention in the area of ​​the hip or perform needle punctures along the femur to determine the location of the center of rotation , Des weiteren ist eine strenge Fixierung des Femurs auf einem Messtisch der Registrierungseinrichtung notwendig, da ansonsten Verschiebungen der Hüftpfanne während der Antastprozedur auftreten und die Schnittlehre nach erfolgter Registrierung der Femurkoordinaten falsch angesetzt werden würde. Furthermore, a strict fixation of the femur on a plane table the registration apparatus is necessary because otherwise shifts the acetabulum during Antastprozedur occur and the cutting jig would be recognized incorrectly after registration Femurkoordinaten.
  • [0008]
    Die The FR 2 785 517 FR 2785517 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren des Rotationszentrums des Femurkopfes in der Hüftpfanne. describes a method and an apparatus for detecting the center of rotation of the femoral head in the acetabulum. Hierfür wird der Femur mit seinem Femurkopf in der Hüftpfanne bewegt, und die in verschiedenen Stellungen des Femurs aufgenommenen Messpunktkoordinaten werden abgespeichert. To this end, the femur is moved with its femur head in the acetabulum, and recorded in different positions of the femur measurement point coordinates are stored. Sobald eine Verschiebung des Rotationszentrums des Femurs auftritt, wird ein entsprechender Gegendruck auf den Femurkopf ausgeübt, der bei der Bestimmung eines Punktes, der in Beziehung mit der Anordnung des Femurs steht, mit berücksichtigt wird. As soon as a displacement of the center of rotation of the femur occurs, a corresponding counterpressure on the femoral head is exerted, is taken into account in the determination of a point which is related to the arrangement of the femur.
  • [0009]
    In der In the DE 197 09 960 A1 DE 197 09 960 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präoperativen Bestimmung der Positionsdaten von Endoprothesenteilen eines mittleren Gelenkes relativ zu den das mittlere Gelenk ausbildenden Knochen beschrieben. a method and apparatus for pre-operative determination of the position data of a middle joint are Endoprothesenteilen to the central articular bone described relative. Hierbei wird vorgeschlagen, dass man durch Bewegung der Knochen um jeweils ein äußeres Gelenk, das sich an dem dem mittleren Gelenk abgewandten Ende des jeweiligen Knochens befindet, jeweils einen äußeren Gelenkpunkt bestimmt, dass man im Bereich des besagten mittleren Gelenkes für jeden der beiden Knochen ebenfalls einen Gelenkpunkt bestimmt, dass man durch geradlinige Verbindung der beiden so gefundenen Gelenkpunkte für jeden der beiden Knochen eine für diesen charakteristische Richtung bestimmt und schließlich die Orientierung der Endoprothesenteile relativ zu dieser charakteristischen Richtung bestimmt. Here, it is proposed that by movement of the bones in each case an outer joint, located at the side remote from the central joint end of each bone, determined in each case an outer pivot point, that in the region of said central joint for each of the two bones also a hinge point determines that one determines a characteristic direction for this by linear connection of the two pivot points so found for each of the two bones, and finally determines the orientation of the endoprosthesis relative to this characteristic direction.
  • [0010]
    Ähnliche medizinische "Navigations"verfahren werden in der be moved similar medical "navigation" in the WO 95/00075 WO 95/00075 und der and the WO 99/23956 WO 99/23956 beschrieben, wobei Bilderfassungssysteme der oben erwähnten Art zur Positionserfassung von Referenzen an den zum jeweiligen Gelenk benachbarten Knochen eingesetzt werden und aus der mit ihrer Hilfe gewonnenen virtuellen Repräsentation des Knochens bzw. Gelenkes charakteristische Punkte bzw. Achsen abgeleitet werden können. described wherein imaging systems of the type mentioned above for position detection of references are used at the respective joint adjacent to the bone, and characteristic points or axes can be derived from the recovered with their help virtual representation of the bone or joint.
  • [0011]
    Ein hinsichtlich der Zuverlässigkeit und insbesondere der Unabhängigkeit von intraoperativen Bewegungen des Patienten verbessertes und für den unmittelbaren Einsatz während der Operation, insbesondere der Implantation eines künstlichen Kniegelenkes, vorgesehenes System dieser Art ist Gegenstand der auf die Anmelderin zurückgehenden A particular in terms of reliability and independence of movements of the patient improved intraoperative and for immediate use during surgery, in particular the implantation of an artificial knee joint, provided system of this kind is the subject of going back to the applicant WO 02/17798 A1 WO 02/17798 A1 . ,
  • [0012]
    Diese Druckschrift lehrt eine Anordnung zur Ermittlung der Belastungsachse einer Extremität eines Menschen, zur Vorbereitung des Einsetzens eines Gelenkersatzimplantats, insbesondere einer Hüft- oder Schultergelenkpfanne oder eines zugehörigen Schaftimplantats, mittels eines optischen Koordinatenmessverfahrens, mit This reference teaches an arrangement for determining the mechanical axis of a limb of a human being, in preparation for the insertion of a joint replacement implant, especially a hip or shoulder joint socket or an associated stem implant, by means of an optical coordinate measuring method, with
    • einer Stereokamera oder -kameraanordnung zur räumlichen Erfassung optischer Gebersignale, - einem mobilen Mehrpunktgeber, der als beweglicher Taster zum Antasten knöcherner Referenzen im Gelenkbereich zur Bestimmung von deren Koordinaten ausgebildet ist, a stereo camera or -kameraanordnung for spatially detecting optical sensor signals, - a mobile multipoint transducer, which is configured as a movable button for probing bony references in the joint region for the determination of the coordinates,
    • einem skelettfesten Mehrpunktgeber, der zur starren Befestigung, insbesondere zum Anschrauben oder Anklemmen, an einer vom dem Gelenk ausgehenden Extremität, insbesondere nahe dem proximalen Ende eines Femurs oder eines Humerus, ausgebildet ist, a skeleton solid multipoint transducer, which for rigid attachment, in particular for screwing or clamping, is formed on one extending from the extremity joint, especially near the proximal end of a femur or a humerus,
    • einer Ablaufsteuerung zur Steuerung der sequentiellen Registrierung und Abspeicherung von einer durch den mobilen Mehrpunktgeber gelieferten Messpunktkoordinatenmengen und von in einer ersten Mehrzahl von Positionen des skelettfesten Mehrpunktgebers in einer Mehrzahl von Drehstellungen der Extremität erfassten Messpunktkoordinatenmengen und deren anschließenden Verarbeitung nach einem vorgespeicherten Verarbeitungsablauf, a sequence controller for controlling the sequential recording and storing of a supplied by the mobile multipoint transducer measuring point coordinates quantities and, in a first plurality of positions of the skeleton solid multipoint transducer in a plurality of rotational positions of the detected measurement point coordinates amounts of extremity and their subsequent processing by a prestored processing flow
    • einer Auswertungseinheit zur Auswertung der durch die Mehrpunktgeber gelieferten und die Kameraanordnung erfassten Messpunktkoordinatenmengen zwecks Bestimmung der Belastungsachse mittels einer Ausgleichungsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate, und an evaluation unit for evaluation, as supplied by the multipoint transducer and the camera assembly detected measurement point coordinates quantities in order to determine the load axis by means of a curve fitting using the method of least squares, and
    • einer mit der Ablaufsteuerung sowie der Auswertungseinheit verbundenen Ausgabeeinheit zur Ausgabe von Handlungsaufforderungen an einen Operateur gemäß dem vorbestimmten Verfahrensablauf sowie zur Anzeige der Auswertungsergebnisse. means connected to the sequence control and the evaluation unit output unit to issue action requests to an operator according to the predetermined procedure and to display the evaluation results.
  • [0013]
    Der Erfindung liegt, ausgehend vom Stand der Technik, die Aufgabe der Bereitstellung einer für den Operateur schnell und einfach sowie mit sehr geringem Fehlerrisiko bedienbaren Anordnung dieser Art zugrunde, die die Erzielung deutlich verbesserter Operationsergebnisse speziell für Hüft- und Schultergelenkimplantate ermöglicht. The invention is, starting from the prior art, an object of providing an operable for the surgeon quickly and easily and with very low risk of errors arrangement of this type is based, which allows achieving significantly improved operating results specifically for hip and shoulder joint implants.
  • [0014]
    Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by an arrangement having the features of claim 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche. Useful embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims. Deren Gegenstände liegen - in beliebiger Kombination miteinander - auch in modifizierten Ausführungen im Bereich der vorliegenden Erfindung. The objects are - in any combination - in the modified versions in the field of the present invention.
  • [0015]
    Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die vorgeschlagene Anordnung zur Ermittlung funktionsbestimmender geometrischer Größen eines Gelenkes in Vorbereitung einer Gelenkersatzimplantation mit einer Stereokamera oder -kameraanordnung und zwei verschiedenen Arten von Signalgebern für diese auszuführen. An essential idea of ​​the invention is to carry out the proposed function-determining arrangement for determining geometrical parameters of a joint in the preparation of a joint replacement implant with a stereo camera or -kameraanordnung and two different types of signal generators for this. Es handelt sich hierbei um (mindestens) einen ersten ("mobilen") Mehrpunktgeber, der als beweglicher Taster zum Antasten knöcherner Referenzen im Gelenkbereich zur Bestimmung von deren Koordinaten ausgebildet ist, und einen zweiten ("skelettfesten") Mehrpunktgeber, der zur starren Befestigung, insbesondere zum Anschrauben oder Anklemmen, in einem vom Gelenk hinreichend beanstandeten Abschnitt einer vom dem Gelenk ausgehenden Extremität, insbesondere nahe dem proximalen oder distalen Ende eines Femurs oder eines Humerus, ausgebildet ist. This is in order (at least) a first ( "mobile"), multipoint transducer, which is configured as a movable button for probing bony references in the joint region for the determination of the coordinates, and a second ( "skeleton fixed") multipoint transducer, which for rigid attachment, in particular for screwing or clamping, is formed in a sufficiently challenged by a hinge portion extending from the hinge limb, in particular near the proximal or distal end of a femur or a humerus.
  • [0016]
    Weiterhin schließt die Erfindung den Gedanken des Vorsehens einer interaktiven Ablaufsteuerung zur Steuerung der sequentiellen Registrierung und Abspeicherung von in einer ersten Mehrzahl von Tasterpositionen des ersten Mehrpunktgebers und einer zweiten Mehrzahl von Drehstellungen der Extremität erfassten Messpunktkoordinatenmengen und deren anschließenden Verarbeitung nach einem vorbestimmten Verarbeitungsablauf ein. The invention also includes the idea of ​​providing an interactive sequence controller for controlling the sequential recording and storing of a first plurality of switch positions of the first multipoint transducer and a second plurality of rotational positions of the detected measurement point coordinates amounts of extremity and their subsequent processing after a predetermined processing procedure.
  • [0017]
    Schließlich gehört zur Erfindung der Gedanke des Vorsehens einer geeignet ausgebildeten Auswertungseinheit zur Auswertung der durch die Mehrpunktgeber gelieferten und die Kameraanordnung erfassten Messpunktkoordinatenmenge zwecks Bestimmung der geometrischen Größen. Finally, the invention the idea is one of providing a suitably configured evaluating unit for evaluation, as supplied by the multipoint transducer and the camera assembly detected measurement point coordinates amount for the purpose of determining the geometric parameters. Diese Auswertungseinheit umfasst die Mittel zur Bestimmung der transversalen, vertikalen und sagittalen Körperebenen und -achsen sowie Mittel zur Ausführung eines iterativen Verfahrens, insbesondere einer Ausgleichungsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate, zur Bestimmung der Koordinaten des Rotationszentrum des Gelenkes. This analysis unit comprises the means for determining the transverse vertical and sagittal planes and axes body and means for performing an iterative process, in particular a curve fitting using the method of least squares for determining the coordinates of the center of rotation of the joint.
  • [0018]
    Letztlich gehört zur erfindungsgemäßen Anordnung eine mit der Ablaufsteuerung sowie der Auswertungseinheit verbundene Ausgabeeinheit zur Ausgabe von Handlungsaufforderungen an einen Operateur gemäß dem vorbestimmten Verfahrensablauf und in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Bestimmung der geometrischen Größen sowie zur Anzeige der Auswertungsergebnisse. Ultimately, the inventive arrangement includes a connected to the sequence control and the evaluation unit output unit to issue action requests to an operator according to the predetermined procedure and depending on the results of the determination of the geometric parameters and for displaying the evaluation results.
  • [0019]
    Zweckmäßigerweise ist die erwähnte Ausgabeeinheit zur Anzeige der Auswertungsergebnisse in grafischer Darstellung, insbesondere in einer synoptischen bildlichen Darstellung mit einem durch ein bildgebendes Untersuchungsverfahren gewonnenen zwei- oder dreidimensionalen Abbild des Gelenkbereiches, ausgebildet. Conveniently, the mentioned output unit for displaying the results of analysis in graphical representation, in particular in a synoptic image representation with a product obtained by an imaging examination procedure two or three dimensional image of the joint area is formed. Dem Operateur wird hierdurch - unabhängig von einer im System vorteilhafter Weise implementierten interaktiven Benutzerführung und automatischen Steuerungsfunktionen - eine gute Möglichkeit zur Gewinnung eines visuellen Eindrucks von den geometrischen Verhältnissen im Gelenkbereich und gegebenenfalls der Lage eines Werkzeugs oder des Implantates relativ zu diesem gegeben. The surgeon is thereby - given a chance for obtaining a visual impression of the geometric relationships in the hinge region, and optionally the position of a tool or of the implant relative to the latter - implemented independently of a more advantageous system way interactive user guidance and automatic control functions.
  • [0020]
    Speziell für eine Pfannenimplantation (im Hüft- wie Schulterbereich) wird noch ein weiterer skelettfester Mehrpunktgeber eingesetzt, welcher an einem knöchernen Bereich auf der Pfannenseite des Gelenkes (auf etwa am Beckenkamm) fest angebracht wird und dessen Positionssignale in Verbindung mit denen des mobilen Tasters zur pfannenseitigen Positionsbestimmung dienen. Especially for a pan implantation (in the hip as the shoulder region), a further skeleton solid multipoint transducer is still used, which to a bony region on the socket side of the joint is firmly attached (to about the iliac crest) and the position signals in connection with which the mobile switch to the pan-side serve positioning.
  • [0021]
    Wesentlich für einen breiten praktischen Einsatz der vorgeschlagen Anordnung ist eine mit der Ablaufsteuerung und der Auswertungseinheit verbundene Eingabeschnittstelle zur Eingabe von Lagebeziehungsvektoren zwischen definierten realen oder virtuellen Punkten des Gelenkbereiches und/oder von Lagebeziehungsvektoren zwischen solchen Punkten innerhalb des Gelenkbereiches oder von diesen zu gelenkfunktionsrelevanten Punkten an der Extremität außerhalb des Gelenkbereiches und/oder von Implantatparametern einer vorbestimmten Menge von einsetzbaren Gelenkersatzimplantaten oder zur Vorgabe möglicher Implantatpositionen und -ausrichtungen. Substantially for a wide practical use of the proposed arrangement is connected to the sequence control and the evaluation unit input interface for inputting positional relationship vectors between defined real or virtual points of the joint area and / or of positional relationship vectors between such points within the joint region or from these to joint-function-relevant points on the extremity outside the joint region and / or of implant parameters of a predetermined quantity of usable joint replacement implants or for specifying possible implant positions and orientations. Es handelt sich hierbei entweder um eine als Benutzerschnittstelle zur Tastatur- oder Spracheingabe von Daten durch den Operateur oder eine zur Übernahme von Daten aus einem auf einem bildgebenden Untersuchungsverfahren beruhenden Auswertungsprogramm oder einer diese Funktionen miteinander kombinierende Schnittstelle. This is either an as user interface for keyboard or voice input of data by the operator or to acquire data from one based on an imaging examination process evaluation program or these functions be combined with each other interface.
  • [0022]
    Zweckmäßigerweise gehört zur Anordnung mindestens eine verstellbare Klemmvorrichtung als Adapter zur Fixierung des skelettfesten Mehrpunktgebers an der Extremität oder der Mehrpunktgeber an Extremität und Gelenk, oder eine adäquate Befestigungsvorrichtung auf der Basis von in Knochen verankerten Schrauben oder Nägeln. Conveniently, part of the arrangement, at least one adjustable clamping device as an adapter for fixing the skeleton solid multipoint transducer to the limb or the multipoint transducer to limb and joint, or any other suitable attachment device on the basis of anchored in bone screws or nails.
  • [0023]
    Weiterhin ist der mobile Mehrpunktgeber zum äußeren Antasten von knöchernen Referenzen an der von dem zu ersetzenden Gelenk und wahlweise dem zweiten Hüft- oder Schultergelenk ausgehenden zweiten Extremität ausgebildet oder hierzu ein weiterer, als beweglicher Taster ausgebildeter Mehrpunktgeber zum Antasten derartiger Referenzen vorgesehen. Further, the mobile multipoint transducer to the outer probing bony references to the replaced from the hinge and optionally the second hip or shoulder joint outgoing second limb is formed or provided for this purpose, a further, designed as a movable button multipoint transducer for scanning of such references. Dann ist die Auswertungseinheit zur Auswertung der Messpunktkoordinaten dieser knöchernen Referenzen zur Bestimmung mindestens einer der geometrischen Größen, insbesondere der Länge der Extremität, ausgebildet. Then, the evaluation unit for evaluating the measuring point coordinates of these bony references for determining at least one of the geometrical parameters, in particular the length of the limb is formed.
  • [0024]
    Sinnvoll ist überdies eine Ergänzung der Anordnung durch einen dritten (skelettfesten) Mehrpunktgeber zur im wesentlichen starren Befestigung, insbesondere mittels einer verstellbaren Manschette, an einer zweiten Extremität, die von einem nicht zu operierenden zweiten Hüft- oder Schultergelenk ausgeht. It makes sense, moreover, be complementary to the arrangement by a third (solid skeleton) multipoint transducer to substantially rigid fixing, in particular by means of an adjustable cuff, at a second extremity extending from a not to be operated on the second hip or shoulder joint. Hierbei ermöglicht dann die Auswertungseinheit die Bestimmung von geometrischen Größen des zweiten Hüft- bzw. Schultergelenkes als Referenz für die geometrischen Größen des ersten Gelenkes ausgebildet. Here, then, the evaluation unit allows the determination of geometric parameters of the second hip or shoulder joint as a reference for the geometrical sizes of the first joint is formed.
  • [0025]
    Eine integrierte Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen Art umfasst bevorzugt auch ein Resektionsinstrument, insbesondere einen Fräser oder eine Raspel, zur Ausformung des Implantationsbereiches und/oder ein navigierbares Setzinstrument, insbesondere Schraubwerkzeug, zur Montage des Gelenkersatzimplantates. An integrated overall arrangement of the type according to the invention preferably also includes a resecting instrument, in particular a milling cutter or rasp, for forming the implantation region and / or a navigable positioning instrument, in particular screwing tool for mounting the joint replacement implant. In Zuordnung zu einem von diesen oder zu beiden Werkzeugen ist ein weiterer Mehrpunktgeber vorgesehen oder es wird der oa mobile Mehrpunktgeber hiermit eingesetzt. In association with one of these or both tools another multipoint transducer is provided, or is the above mobile multipoint transducer hereby established. Dieser ist mit dem jeweiligen Werkzeug starr zu einer geometrisch kalibrierten, navigierbaren Werkzeug-Geber-Einheit verbindbar, derart, dass aus den Gebersignalen dieser Einheit Positionskoordinaten eines Wirkabschnitts des Instruments, und hieraus wahlweise Positionskoordinaten eines mit dem Resektionsinstrument geschaffenen Resektionsabschnittes bzw. des Implantates bestimmbar sind. This is rigidly connected to the respective tool to a geometrically calibrated, navigable tool encoder unit, so that from the transducer signals of that unit position coordinates of an operational part of the instrument, and from this optional position coordinates of a created with the resecting Resektionsabschnittes or the implant can be determined , Hierbei ist die Eingabeschnittstelle speziell zur Eingabe von Instrumentparametern des Resektionsinstrumentes und/oder von Werkzeugparametern des Setzinstruments ausgebildet. Here, the input interface is specifically designed for entering instrument parameters of the resectioning and / or tool parameters of the positioning instrument.
  • [0026]
    In einer weiteren sinnvollen Fortbildung des Erfindungsgedankens umfasst die Anordnung eine Sonde, insbesondere Markkanalahle, zur Sondierung eines Markkanals der von dem Gelenk ausgehenden Extremität, die mit einem Mehrpunktgeber starr zu einer geometrisch kalibrierten, navigierbaren Sonden-Geber-Einheit verbindbar ist, derart, dass aus den Geber-Signalen dieser Einheit ein Richtungsvektor des Markkanals bestimmbar ist. In another useful development of the inventive idea, the assembly comprises a probe, in particular Markkanalahle, for probing a medullary canal of the outgoing from the hinge extremity which is connectable to a multipoint transducer rigidly to a geometrically calibrated, navigable probe transducer unit, such that from the encoder signals this unit, a direction vector of the medullary canal is determined. Es versteht sich, dass hier die Eingabeschnittstelle zur Eingabe von Sondenparametern geeignet sein muss. It is understood that the input interface must be suitable for entering probe parameters here.
  • [0027]
    Der oder die Mehrpunktgeber ist/sind vorzugsweise als passiver Vierpunktgeber mit vier Kungelreflektorabschnitten ausgebildet. The one or more multipoint transducer is / are preferably formed as a passive four-point transducer having four Kungelreflektorabschnitten. Der Stereokamera bzw. Kameraanordnung ist hierbei eine Beleuchtungseinrichtung zugeordnet, mit der der oder die Mehrpunktgeber angeleuchtet werden, so dass definierte Reflexe zur "Abbildung" des jeweiligen Mehrpunktgebers zur Verfügung stehen. are the stereo camera or camera arrangement is here assigned to an illumination device with which the or multipoint transducer are illuminated, so that defined reflections for the "imaging" of the respective multi-point encoder are available. Zur Vermeidung von den Operateur störenden Lichtreflexen arbeitet die Beleuchtungseinrichtung bevorzugt im Infrarotbereich. To avoid the surgeon disturbing reflections the illumination device preferably operates in the infrared range.
  • [0028]
    Eine den Operateur besonders weitgehend unterstützende Ausführung der vorgeschlagenen Anordnung umfasst eine mit der Auswertungseinheit und der Matching-Verarbeitungseinheit verbundene Steuersignal-Erzeugungseinheit. A particularly the surgeon largely supportive embodiment of the proposed arrangement comprises means connected to the evaluation unit and the matching processing unit control signal generating unit. Diese ist die zu einem Vergleich eines Satzes von über die Eingabeschnittstelle eingegebenen und an die Realpositionskoordinaten des Gelenk- bzw. Wirbelbereiches angepassten Implantatpositionsdaten bzw. -Ausrichtungsdaten mit aktuell erfassten Realpositionskoordinaten des Wirkabschnitts des Resektions- oder Setzinstruments und zur Bestimmung einer Abweichung zwischen Soll- und Ist-Positionskoordinaten und zur Ausgabe von Abweichungsdaten oder eines aus der Abweichung abgeleiteten Steuerbefehls, insbesondere per Text- oder Sprachausgabe und/oder in einer synoptischen Darstellung mit dem Abbild, ausgebildet. This is to be a comparison of a set of via the input interface input and matched to the real position coordinates of the joint region or vertebral region implant position data or -Ausrichtungsdaten with currently acquired real position coordinates of the active portion of the resection or positioning instrument and for determining a deviation between the target and -Positionskoordinaten and outputting differential data, or a signal derived from the deviation control command, in particular by text or speech output and / or in a synoptic display with the image formed.
  • [0029]
    Vorteile und Zweckmäßigkeiten ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels - einer Anordnung in Verbindung mit einem Verfahren zur Implantation eines künstlichen Hüftgelenkes - in Verbindung mit den Figuren. Advantages and useful result in the rest of the following description of a preferred embodiment - an arrangement in connection with a method for implantation of an artificial hip joint - in connection with the figures. Von diesen zeigen: Of these:
  • Fig. 1 Fig. 1
    einen Beckenkamm-Lokator mit zugehöriger Klammer (Adapter), aufgeklemmt auf einen Beckenkamm, in perspektivischer Darstellung, an iliac crest locator with associated bracket (adapter), clamped to one iliac crest, in perspective,
    Fig. 2 Fig. 2
    zusätzlich einen Handtaster zum Antasten der Tischoberfläche zwecks Bestimmung der Tischebene sowie knöchener Referenzen am Beckenkamm (über der Haut), in perspektivischer Darstellung, in addition a manual button for scanning the table surface for the purpose of determining the table plane and knöchener references at the iliac crest (on the skin), in a perspective view;
    Fig. 3 Fig. 3
    zusätzlich zum Beckenkamm-Lokator eine perspektivische Darstellung eines Femur-Lokators mit zugehöriger Klammer zur Fixierung im proximalen Bereich eines Femurs, in addition to the iliac crest locator is a perspective view of a femur with an associated locator clamp for fixation in the proximal region of a femur,
    Fig. 4 Fig. 4
    eine Kugeladapter-Handtaster-Kombination zur Bestimmung des Zentrums des Acetabulums in perspektivischer Darstellung, a ball adapter-hand button combination to determine the center of the acetabulum in perspective,
    Fig. 5 Fig. 5
    eine perspektivische Darstellung einer Fräser-Lokator-Kombination zum Fräsen des Sitzes für eine Hüftpfanne, a perspective view of a milling cutter for milling locator combination of the seat for an acetabular cup,
    Fig. 6 Fig. 6
    eine schematische Ausschnittdarstellung eines Schirmbildes eines PC-Monitors zur visuellen Darstellung der Aussichten des Fräsers bezüglich des Beckens, a schematic sectional representation of a screen image of a PC monitor for visual display of the views of the cutter with respect to the pelvis,
    Fig. 7 Fig. 7
    eine perspektivische Darstellung einer Setzinstrument-Lokator-Kombination zum Eindrehen einer künstlichen Hüftpfanne in den vorbereiteten Sitz und a perspective view of a positioning instrument locator combination for screwing in an artificial hip socket in the prepared seat and
    Fig. 8 Fig. 8
    eine perspektivische Darstellung einer Markkanalahlen-Lokator-Kombination zur Bestimmung des Verlaufes des Markkanals in einem Femur. a perspective view of a medullary canal Ahlen locator combination for determining the path of the medullary canal in a femur.
  • [0030]
    Die nachfolgende Darstellung wird primär anhand eines Vorgehens zur Bestimmung der relevanten geometrischen Größen sowie zur Implantation einer Hüftpfanne gegeben, ergänzend wird aber auch auf die - hiervon relativ unabhängige - Bestimmung der relevanten geometrischen Größen und die Ausführung der Implantation eines Schaftteiles als zweiter Komponente eines künstlichen Hüftgelenkes hingewiesen. The following description is primarily given by way of procedure for determining the relevant geometric parameters and for the implantation of a hip socket, is additionally also on the - thereof relatively independent - determination of the relevant geometrical sizes, and the execution of the implantation of a shaft portion as a second component of an artificial hip joint pointed.
  • [0031]
    Der Operateur hat in der Planung einer Hüftgelenkimplantation für die Pfanne folgende Werte zu bestimmen: The surgeon has to determine in the planning of a hip implant for the cup the following values:
  1. 1. Größe der künstlichen Pfanne 1. Size of artificial pan
  2. 2. Inklinationswinkel und Antetorsionswinkel 2. inclination and antetorsion
    Die beiden Winkel der Ausrichtung der Pfannenachse relativ zu den Körperebenen werden hier vom Operateur nach medizinischen Gesichtspunkten im Röntgenbild gewählt. The two angles of alignment of the pan axis relative to the body planes are here chosen by the surgeon by medical point in the X-ray image. Diese Winkel können ebenfalls vom Operateur intraoperativ verändert werden. This angle can also be changed by the surgeon intraoperatively.
  3. 3. Winkel in der sagittalen Körperebene zwischen vertikaler Achse und der Richtung vom Beckenkamm zur Symphyse. 3. angle in the sagittal plane between the vertical body axis and the direction from the iliac crest to the symphysis.
    Durch die Bestimmung dieses Winkels wird eine intraoperative Bestimmung der Körperachsen und damit des Planungskoordinatensystems ermöglicht. By determining this angle intraoperative determination of the body axes and thus of the planning system of coordinates is made possible.
  • [0032]
    Es wird angenommen, dass der Patient sich zu Beginn der Operation in Rückenlage befindet; It is believed that the patient is at the beginning of the operation in the supine position; der Arzt hat ein Röntgenbild zur Verfügung, welches hinreichend die anatomische Gesamtkonstellation sowie die Knochenbeschaffenheit erkennen lässt. the doctor has an X-ray is available, which can sufficiently recognize the anatomical overall constellation and the bone quality. Er gewinnt daraus erste Vorstellungen hinsichtlich der einzusetzenden Implantatgröße und der zu bevorzugenden Grobausrichtung des Implantates. He wins from the first ideas regarding the employed implant size and preferable rough alignment of the implant. Es wird eine Inzision 3 - 5 cm dorsal der Spina Iliaca Superior Anterior mit einer Länge von 4 cm vorgenommen, der Beckenkamm freigelegt und das Gewebe mit dem Raspatorium freigelegt. It is an incision 3 - made with a length of 4 cm, the iliac crest exposed and exposed the fabric with a periosteal elevator 5 cm posterior to the anterior superior iliac spine.
  • [0033]
    Fig. 1 Fig. 1 zeigt einen Beckenkamm-Lokator 1 mit zugehöriger Befestigungsklammer 3, der im freigelegten Bereich des Beckenkammes angebracht wird. shows an iliac crest locator 1 with associated mounting bracket 3 which is mounted in the exposed region of the iliac crest. Die Befestigungsklammer 3 umfasst ein mediales Klammerteil 3.1 und ein laterales Klammerteil 3.2, die über eine Inbusschraube 5 miteinander verschraubt werden, bis die Befestigungsklammer fest am Beckenkamm sitzt. The mounting bracket 3 includes a media clamp part 3.1 and a lateral bracket member 3.2, which are screwed to each other via a socket screw 5 until the mounting bracket firmly attached to the iliac crest. Der eigentliche Beckenkamm-Lokator 1 hat einen sichelförmig geschwungenen Grundkörper 1.1 mit einer Steckhülse 1.2 zum Aufstecken auf die Befestigungsklammer 3 sowie einem 4-Punkt-Lokatorfeld 1.3 aus vier IR-reflektierenden Kugeln, die jeweils partiell von einem (nicht gesondert bezeichneten) kugelabschnittförmigen Diffusor zur Vermeidung von Störstrahlungseinflüssen umgeben sind. The actual iliac crest locator 1 has a sickle-shaped curved body 1.1 with a socket 1.2 for attachment to the mounting bracket 3 and a 4-point Lokatorfeld 1.3 of four IR-reflective spheres, each partially spherical segment of a (not designated separately) diffuser for avoiding surrounded by Störstrahlungseinflüssen. Es handelt sich hierbei um sogenannte passive Targets oder Adapter, die als solche bekannt sind und deren Wirkungsweise in Verbindung mit einer - ebenfalls bekannten - Stereokameraanordnung eines sogenannten Navigationssystems daher hier nicht weiter beschrieben wird. These are so-called passive targets or adapters, which are known as such and their mode of action in connection with a - is therefore not further described stereo camera arrangement of a so-called navigation system here - likewise known. Nach dem Aufstecken wird der Lokator 1 gegenüber der Befestigungsklammer 3 derart gedreht, dass das Lokatorfeld zur Kamera geeignet ausgerichtet ist, ohne dass eine der reflektierenden Kugeln durch eine andere abgeschirmt ist. After attaching the locator 1 is rotated relative to the mounting bracket 3 so that the Lokatorfeld is properly aligned to the camera, without one of the reflective spheres is shielded by another. Anschließend wird durch Verschrauben des Lokators mit der Befestigungsklammer eine starre Verbindung zwischen beiden hergestellt. a rigid connection between the two is then produced by screwing of the locator to the mounting bracket.
  • [0034]
    Statt am Beckenkamm kann der oben als Beckenkamm-Lokator bezeichnete Mehrpunktgeber 1 auch am Pfannendach des Beckens befestigt werden. Instead of the iliac crest of the described above as iliac crest locator multipoint transducer 1 can also be attached to the acetabulum of the pelvis. Dies hat den Vorteil, dass die oben erwähnte (zusätzliche) Inzision im Bereich des Beckenkammes überflüssig wird, jedoch ist die Befestigung des Mehrpunktgebers - der dann als "OP-Feld-Lokator" bezeichnet wird - bei geschwächter Knochenstruktur weniger stabil. This has the advantage that the above-mentioned (additional) incision is unnecessary in the region of the iliac crest the advantage, however, is the attachment of the multi-point encoder - which is then referred to as "surgical field locator" - less stable at a weakened bone structure.
  • [0035]
    Fig. 2 Fig. 2 zeigt neben dem oben beschriebenen skelettfesten Lokator 1 einen Handtaster 7 mit einem stabförmigen, sich zu einem Ende hin verjüngenden Tasterteil 9, von dem ein Halter 9.1 senkrecht absteht, einem annähernd Y-förmigen Taster-Grundkörper 7.1 und einem 4-Punkt-Lokatorfeld 7.2, ähnlich dem Aufbau des oben beschriebenen Beckenkamm-Lokators. shows in addition to the above-described skeleton fixed locator 1 is a hand switch 7 with a rod-shaped, located towards one end tapered button part 9, from which a holder 9.1 projects perpendicularly, an approximately Y-shaped push button body 7.1 and a 4-point Lokatorfeld 7.2, similar to the structure of the above-described iliac crest locator. Ähnlich sind auch die Lokatoren der weiter unten beschriebenen Anordnungskomponenten aufgebaut, so dass für diese die entsprechende Benennung der Teile bzw. Abschnitte und Beschreibung derselben fortgelassen wird. Similarly, the locators of the assembly components described below are constructed so that the same will be omitted for this the appropriate designation of the parts or sections and description.
  • [0036]
    Mit dem Handtaster 7 werden zu Beginn des Navigations-Ablaufes verschiedene Punkte der Ebene des OP-Tisches, auf dem der Patient liegt, angetastet, um eine Bestimmung der Lage der Tischebene im Raum zu ermöglichen. With the hand switch 7, to be probed in order to enable a determination of the position of the table plane in the space at the beginning of the navigation sequence different points of the plane of the operating table on which the patient lies. Diese wird zwar für die eigentliche Bestimmung der Patientenlagen nicht benötigt, kann aber für Plausibilitätsbetrachtungen (beispielsweise hinsichtlich der Bedeutung einer Beckenneigung des Patienten gegenüber der Tischebene etc.) herangezogen werden. This is not needed for the actual determination of the patient's records and may be used for plausibility considerations (for example, on the importance of pelvic tilt of the patient to the table plane, etc.). Für die eigentliche Navigation wird üblicherweise angenommen, dass die Patienten-Frontalebene parallel zur Tischebene liegt. For the actual navigation is commonly assumed that the patient's frontal plane is parallel to the plane of the table.
  • [0037]
    Anschließend werden mit dem Handtaster 7 über der Haut charakteristische knöcherne Referenzen im Beckenbereich angetastet. characteristic to the skin bony references are then touched in the pelvic area with the manual button. 7 Zunächst werden der linke und der rechte Beckenkamm sowie die Mitte der Symphyse angetastet. First, the left and right iliac crest and the center of the symphysis be touched. Durch diese drei angetasteten Punkte und den in der Planung ermittelten Kamm-Symphysen-Winkel können die Körperachsen eindeutig festgelegt werden. These three probed points and the determined in the planning comb symphysis angle the body axes can be clearly defined. Die Richtung vom linken zum rechten Beckenkamm stellt die transversale Körperachse dar. Die Richtung von der Mitte der Beckenkammpunkte zur Symphyse wird um den Kamm-Symphysen-Winkel um die transversale Achse gedreht und stellt damit die vertikale Körperachse dar (orthogonal zur transversalen Achse). The direction from left to right iliac crest, the transverse axis of the body. The direction from the center of the iliac crest points for the symphysis is rotated by the comb-symphysis angle about the transverse axis and the vertical body-axis is (orthogonal to the transverse axis). Die sagittale Körperachse ergibt sich aus den beiden erstgenannten Achsen als Orthogonale. The sagittal body axis results from the first two axes as Orthogonal.
  • [0038]
    Fig. 3 Fig. 3 zeigt zusätzlich zum Beckenkamm-Lokator 1 einen Femur-Lokator 11 mit zugehörigem Adapter (Femurklammer) 13 zur Befestigung nahe dem proximalen Ende des Femurs. in addition to the iliac crest locator 1 shows a femur locator 11 with an associated adapter (femoral) 13 for mounting near the proximal end of the femur. Die Femurklammer 13 hat einen zweiteiligen Grundkörper aus einem in der Draufsicht gabelförmigen und in der Seitenansicht annähernd L-förmigen ersten Grundteil 13.1, von dem zwei Zapfen 13.2 zum Aufstecken des Lokators abstehen, und einem mit dem ersten Grundteil 13.1 verrastbaren, in der Seitenansicht annähernd L-förmiges zweiten Grundteil. The femoral 13 has projecting a two-piece base body of a fork-shaped in plan view, and approximately L-shaped in side view first base member 13.1 from which two pin 13.2 for placing the locator, and a latchable with the first base member 13.1, in the side view approximately L -shaped second base part. Der Aufbau des Femur-Lokators 11 selbst entspricht - abgesehen von einem abgewinkelten Lokatorstab - im wesentlichen dem des Beckenkamm-Lokators. The construction of the femoral locator 11 itself corresponds - apart from a bent Lokatorstab - substantially to that of iliac crest locator.
  • [0039]
    Er wird über eine Steckhülse 15.1 am freien Ende eines Lokatorstabes 15 auf einen der beiden Zapfen 13.2 der Femurklammer 13 aufgesteckt. It is plugged through a plug-in sleeve at the free end of a 15.1 Lokatorstabes 15 on one of the two pins of the femoral 13.2. 13
  • [0040]
    Dann wird die Femurklammer 13 mit dem angesetzten Lokatorstab 15 auf der lateralen Femurseite etwa auf Höhe Trochanter Minor oder zwischen Trochanter Minor und Trochanter Major befestigt, indem die dort liegenden Muskelgruppen beiseite geschoben werden und die Klammer eingeschoben wird. Then, the femoral 13 is fastened with the scheduled Lokatorstab 15 on the lateral side of the femur approximately level with lesser trochanter or between lesser trochanter and the greater trochanter by the muscle groups lying there are pushed aside and the clip is inserted. Die Drehstellung ist so zu wählen, dass der Lokatorstab lateral aus dem OP-Feld, möglichst in Richtung der Kamera, ragt. The rotary position is to be selected so that the Lokatorstab laterally out of the surgical field as possible in the direction of the camera protrudes. Dann wird die Klammer mit mittlerem Drehmoment festgezogen, dass eigentliche (hier nicht gesondert bezeichnete) Lokatorfeld aufgesteckt und nach der Kamera ausgerichtet und schließlich der Femur-Lokator festgeschraubt. Then the bracket is tightened with a medium torque that actual (not designated separately here) plugged Lokatorfeld and facing the camera and finally bolted the femoral locator.
  • [0041]
    Danach wird das kinematische Rotationszentrum der Hüfte sowohl im hüftfesten als auch im femurfesten Koordinatensystem durch mehrere relative Messungen des Femur-Lokators im hüftfesten Koordinatensystem bei unterschiedlichen Beinstellungen bestimmt. Thereafter, the kinematic center of rotation of the hip is determined both in the hüftfesten and in femurfesten coordinate system by a plurality of relative measurements of the femur in the locator hüftfesten coordinate system at different leg positions. Die Transformation aller Messwerte kann somit vom hüftfesten Koordinatensystem in das Koordinatensystem der Körperachsen erfolgen. The transformation of all measured values ​​can thus take place from hüftfesten coordinate system to the coordinate system of the body axes. Hiermit können dann alle kalibrierten Werkzeuge zum Körperachsenkoordinatensystem ausgerichtet werden; This all calibrated tools can then be aligned to the body axis coordinate system; siehe dazu weiter unten. see below. Mit dem Rotationszentrum als Ursprung kann das Implantat an seinem kinematischen Ursprung eingesetzt werden. With the center of rotation as the origin of the implant can be used on its kinematic origin. Sollten Korrekturen erforderlich sein, können Verschiebungen und Winkelveränderungen der Planung intraoperativ ausgeführt werden. If corrections are necessary shifts and angle changes in planning can be performed intraoperatively.
  • [0042]
    Nachdem der Operateur die Positionserfassungen in den verschiedenen Beinstellungen im "Dialog" mit der interaktiven Benutzerführung vorgenommen hat (wobei wieder eine Fehlerkorrektur aufgrund von Plausibilitätsberechnungen vorgesehen ist), wird der Femur-Lokator von der Klammer 13 abgenommen und der Femurkopf reseziert. (Wherein again provided an error correction the basis of plausibility calculations) after the surgeon has made the position detection in the different leg positions in the "dialog" with the interactive user interface, the femur locator is removed from the bracket 13 and the femoral head is resected. Der Durchmesser des resezierten Kopfes wird gemessen und auf Grundlage des Messergebnisses eine geeignete Halbkugel für den nächsten Schritt, nämlich die Bestimmung des Zentrums des Acetabulums bzw. geometrischen Rotationszentrums der Hüfte, ausgewählt. The diameter of the resected head is measured and on the basis of the measurement result an appropriate half-ball for the next step, namely the determination of the center of the acetabulum or geometric center of rotation of the hip selected.
  • [0043]
    Wie As Fig. 4 Fig. 4 zeigt, wird die ausgewählte Halbkugel 17 mit einem Handtaster 7' der in shows the selected hemisphere 17 with a hand switch 7 'of the in Fig. 2 Fig. 2 gezeigten und weiter oben beschriebenen Art zu einer Kugeladapter-Handtaster-Kombination 19 zusammengestellt. shown and described above type assembled into a ball adapter-hand push-button combination 19th Durch Einsteuern dieses Lokators in den Pfannenbereich wird (üblicherweise unter Voraussetzung eines bestimmten Anteversionswinkels, zB 12°) zum einen die Gültigkeit des mittels des Femur-Lokators bestimmten (kinematischen) Rotationszentrums aus geometrischer Sicht überprüft, und zum anderen erlauben die Ergebnisse eine "Gegenprobe" zu der Implantations-Planungswerte unter geometrischen Gesichtspunkten. By controlled supply of this locator in the pan region (usually assuming a certain anteversion angle, eg 12 °) on the one verifies the validity of the particular agent of the femur locator (kinematic) rotation center from geometrical point of view, and on the other hand, the results allow a "cross-check" to the implantation design values ​​under the geometric point of view. Außerdem lassen sich durch Bewegen der Halbkugel 17 im Pfannenbereich Hinweise auf mögliche mechanische Kollisionen gewinnen. In addition, by moving the hemisphere 17 can gain information on possible mechanical collisions in the pan area. Die Konstruktion der Halbschale und deren Adaption zum Handtaster realisiert die Antastspitze immer im Kugel-Zentrum der Antasthalbkugel. The construction of the half-shell and their adaptation to the hand switch always realized the Antastspitze in the ball center of Antasthalbkugel.
  • [0044]
    Anschließend erfolgt im Rahmen des gespeicherten Auswertungsprogramms mit interaktiver Benutzerführung die endgültige Planung der Implantation, von der Bestimmung der einzusetzenden Implantatgröße bis hin zu Verschiebungswerten und Winkelgrößen. Subsequently, as part of the stored evaluation program with interactive user guidance the final planning the implantation of determining the implant size to be used to shift values ​​and angle sizes. Das System errechnet auf dieser Grundlage sowie anhand von vorab eingegebenen spezifischen Instrumentdaten Sollpositionen für die einzusetzenden Resektions- bzw. Setzinstrumente oder, genauer gesagt, für deren Wirkabschnitte. The system calculates on this basis, and more specifically by use of prior input specific instrument data set positions for the employed resection or setting instruments or, for which effective portions.
  • [0045]
    Fig. 5 Fig. 5 zeigt neben Beckenkamm- und Femur-Lokator 1, 11 eine Fräser-Lokator-Kombination 21 mit einer Fräswelle 23, einem Fräswellenadapter 25 und einem Lokator 27, dessen Aufbau im wesentlichen denjenigen des Femur-Lokators 11 nach shows in addition to iliac and femoral locator 1, 11 is a cutter locator combination 21 with an auger 23, a Fräswellenadapter 25 and a locator 27, whose construction substantially similar to those of the femur 11 by locator Fig. 3 Fig. 3 entspricht. equivalent. Dieses Instrument wird in der in der Figur ebenfalls gezeigten Weise in einem Pfannenbereich ausgerichtet, wobei die Lage und Ausrichtung aufgrund der Positionssignale aus dem Lokatorfeld erfasst und auf Schirmbildern in der in This instrument is aligned in the likewise shown in the figure, in a pan area, the position and orientation based on the position signals from the Lokatorfeld detected and screen images in the in Fig. 6 Fig. 6 gezeigten Weise visuell verdeutlicht wird. Manner shown is illustrated visually. Eine entsprechend den Planungsdaten korrekte Lage des Fräsers wird durch einen um die Fräswelle sich erstreckenden Ring in der Displaydarstellung sowie durch akustische Signale angezeigt. An appropriately correct the planning data position of the cutter is indicated by a to the auger shaft extending ring in the display representation, and by means of acoustic signals.
  • [0046]
    Sobald ein Pfannensitz gemäß den Planungsdaten hergestellt ist, wird die Fräser-Lokator-Kombination in eine Setzinstrument-Lokator-Kombination 29 umgebaut, wie sie in Once a socket seat made in accordance with the planning data, the router locator combination is converted into a setting instrument locator combination 29, as shown in Fig 7 7 gezeigt ist. is shown. Hierbei wird wiederum der Lokator 27 eingesetzt, und zwar jetzt in Verbindung mit einem Setzinstrumentenschaft 31 und einem Schaftadapter 33. Mit diesem Instrument wird in einer zur Handhabung der Fräser-Lokator-Kombination weitgehend analogen und ebenso auf dem PC-Schirmbild dargestellten Art und Weise eine Hüftpfanne 35 gesetzt. Here again, the locator 27 is inserted, namely now in conjunction with a setting tool shank 31 and a shank adapter 33 is With this instrument, a in a substantially analogous manner to the handling of the milling cutter locator combination and shown also on the PC screen fashion acetabular cup 35 is set. Deren endgültige Position wird durch den Operateur noch in das System eingegeben. Their final position will be entered by the operator into the system.
  • [0047]
    Anschließend erfolgen die Schaftpräparation und -implantation (zunächst eines Testschaftes), und zwar entweder auf konventionelle oder ebenfalls durch das Navigationssystem gestützte Weise. Then carried out the stem preparation and implantation (initially a test shaft), either in a conventional or also aided by the navigation system manner. Höhe und Anteversion des Schaftes sind dabei anhand der Planungsdaten fest eingestellt; Height and anteversion of the stem are fixed on the basis of the planning data; lediglich die Kugelhalslänge ist noch frei wählbar. only the ball neck length is still arbitrary. Dann wird das Gelenk mit dem Testschaft zusammengebaut und Stabilität sowie etwaige Kollisionen beim Bewegen des Schaftes in der Pfanne geprüft. The joint is then assembled with the test shank and tested stability as well as any collisions during movement of the shaft in the pan. Zudem erfolgt eine Grob-Prüfung der Beinlänge durch Vergleich der Lage der Knöchel des operierten des gesunden Beines. In addition, a rough check of the leg length by comparing the position of the ankle operated on the healthy leg takes place. Falls Probleme bei der Gelenkstabilität auftreten, wird versucht, diese durch Wahl einer bestimmten Kugel oder eines Schaftes anderer Größe aus einem bereitstehenden Sortiment zu lösen. If problems occur joint stability, it is attempted to solve this by choosing a particular ball or a shaft of a different size from a waiting range.
  • [0048]
    Optional können in dieser Phase auch Messungen am anderen Bein unter Einsatz des Navigationssystem erfolgen, deren Ergebnisse im Sinne von Symmetriebetrachtungen zu einer Feinjustierung des Implantats herangezogen werden können. Optionally, measurements on the other leg can be made using the navigation system, the results can be used in the sense of symmetry considerations to a fine adjustment of the implant at this stage. Er versteht sich, dass bei derartigen Messungen anstelle des oben beschriebenen Femur-Lokators ein zur äußeren Anbringung über der Haut modifizierter Femur-Lokator eingesetzt wird. It is understood that in such measurements, instead of the above-described femoral locator is used for an external attachment to the skin modified femur locator.
  • [0049]
    Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Systems besteht darin, dass unter Nutzung von Navigationsdaten auch ein Vorher-Nacher-Vergleich der Beinlängen (an der kranken Hüfte vor der Operation und während des oben erwähnten Überprüfungsschrittes in der Schlussphase der Operation) möglich ist. An essential advantage of the proposed system is that, making use of navigation data and a before-Nacher Comparison of the leg lengths (at the diseased hip before surgery and during the above-mentioned checking step, in the final phase of the operation) is possible. Hierzu wird der Femur-Lokator erneut auf dem am Femur verbliebenen Halter positioniert und fixiert und die Position bei gestrecktem, parallel zur Körperlängsachse ausgerichtetem Bein erfasst. To this end, the femur locator is positioned again on the remaining on the femur and fixed holders and detects the position in an aligned, oriented parallel to the longitudinal axis of the body leg. Die gewonnenen Positionsdaten geben Hinweise auf eine etwaige Beinverlängerung bzw. Beinverkürzung sowie auch auf die sogenannte Lateralisierung bzw. Medialisierung, dh die "seitliche" Position des Femurs. The position data obtained give indications of the possible leg lengthening or shortening of the leg as well as the so-called lateralization or on the media, ie, the "lateral" position of the femur. Bei Hinweisen auf eine zu starke Medialisierung (Nach-Innen-Verschiebung) kann gegebenenfalls gegenüber dem Testschaft ein anderer Schaft in Verbindung mit einer anderen Kugel eingesetzt werden; Upon indication of an excessive medialisation (Inward displacement) may optionally be used with respect to the test shank another shaft in conjunction with another ball; in jedem Falle geben die Messwerte dem Arzt aber Hinweise, die bei der weiteren Versorgung des Patienten zu berücksichtigen sind. in any case, give the readings to the physician but notes that are taken into account in the further care of the patient.
  • [0050]
    Die nachfolgenden Anmerkungen beziehen sich auf eine Nutzung des beschriebenen Systems bei der Schaftpräparation und Implantation. The following comments relate to a use of the system described in the stem preparation and implantation.
  • [0051]
    Für die Platzierung des Schaftes einer Hüftprothese ist die Herstellung eines geplanten Antetorsionswinkel des Femurhalses und die Winkelherstellung der ursprünglichen Beinlänge gefordert. For the placement of the stem of a hip prosthesis making a planned antetorsion the femoral neck and the angle of the original leg length is required. Die Achsen-Ausrichtung des Schaftes richtet sich weitestgehend nach der Lage des Markkanals im Femur. , The axis alignment of the shaft depends largely on the position of the medullary canal in the femur. Dies hat zur Folge, dass erst hieraus die eigentliche Schaftgröße bzw. dessen Offsets berechnet werden können. This has the consequence that only from this the actual shaft size or its offsets can be calculated.
  • [0052]
    Mit Hilfe einer kalibrierten Ahle wird der Markkanal des Femurs bestimmt. Using a calibrated broach the medullary canal of the femur is determined. Eine weitere wichtige Information für die Platzierung des Schaftes ist die Bestimmung des Rotationszentrums; Another important piece of information for the placement of the shaft is to determine the center of rotation; siehe dazu weiter oben. see above.
  • [0053]
    Fig. 8 Fig. 8 zeigt eine hierzu einsetzbare weitere Komponente der vorgeschlagenen Anordnung, nämlich eine Markkanalahlen-Lokator-Kombination 37 mit einer Markkanalahle 39, einem Ahlenadapter 41 und (wiederum) einem Lokator 27, ähnlich der bereits in shows a further component which can be used for this purpose of the proposed arrangement, namely a medullary canal Ahlen locator combination 37 with a Markkanalahle 39, a Ahlen adapter 41 and (again) a locator 27, similar to that already in Fig. 3 Fig. 3 gezeigten Lokatorausführung. Lokatorausführung shown. Zum Einsetzen dieses Navigationsinstrumentes wird das proximale Femurende mit einem Kastenmeißel oder einer Stichsäge in der Nähe des Trochanter Major eröffnet und die Markkanalahle 39 dort von proximal eingeführt. To insert this navigation instrument, the proximal end of the femur is opened with a box cutter or a jigsaw in the vicinity of the greater trochanter and the Markkanalahle 39 introduced there from the proximal end.
  • [0054]
    Präoperativ werden Inklinationswinkel und Antetorsionswinkel des Femurkopfes im Röntgenbild bestimmt und intraoperativ eingegeben. Preoperatively and inclination of the femoral head antetorsion be determined radiographically and entered intraoperatively. Zusätzlich ist die intraoperative Bestimmung des Antetorsionswinkel durch Messung von Landmarks am Kniegelenk und an dem oberen Sprunggelenk möglich, womit intraoperativ die Körperebenen bekannt sind. In addition, the intra-operative determination of the antetorsion by measuring landmarks on the knee joint and the ankle joint is possible, whereby the body planes are intraoperatively known. Die tatsächlichen Implantationswinkel und -positionen der Pfannennavigation können bei der Schaftimplantation mitberücksichtigt werden. The actual implantation angles and positions of the pan navigation can be considered in the stem implantation. Die letzte räumliche Position der Pfanne kann als relative Korrektur des Schaftes angebracht werden. The final spatial position of the pan can be mounted as a relative correction of the shaft. Durch dieses Vorgehen ist eine optimale Implantation sichergestellt. This procedure optimal implantation is ensured.
  • [0055]
    Die Präparation des Femurs zum Einsetzen des Schaftes erfolgt dann - analog zur Präparation des Pfannensitzes mit einem navigierten Fräser - mit einer navigierten Schaftraspel, dh einer Schaftraspel-Lokator-Kombination, welche der in The preparation of the femur for insertion of the shaft is then carried out - analogously to the preparation of the pan seat with a navigated router - with a navigated Schaftraspel, ie a Schaftraspel locator combination, which in the Fig. 8 Fig. 8 gezeigten Kombination sehr ähnlich ist und daher hier weder gezeigt noch genauer beschrieben wird. Combination shown is very similar and therefore not shown or described in detail here. Nach der Präparation wird wiederum ein Testschaft eingesetzt und es werden die oben im Zusammenhang mit der pfannenseitigen Navigation beschriebenen Überprüfungen ausgeführt. After preparation, a test shaft in turn is used and there are performed the checks described above in connection with the pan side navigation. Bei zufriedenstellenden Ergebnissen wird der endgültige Schaft dann eingesetzt, ohne dass dieser nochmals navigiert werden müsste. For satisfactory results, the final shaft is then used without it having to be navigated again.
  • [0056]
    Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Anordnung und das in Verbindung hiermit skizzierte Vorgehen beschränkt, sondern ebenso in Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. The embodiment of the invention is not limited to the arrangement described above and the outlined herein in connection procedure, but is also possible in modifications which are within the scope of technical action.
  • Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • [0057]
  • 1 1
    Beckenkamm-Lokator Iliac crest locator
    1.1 1.1
    Grundkörper body
    1.2 1.2
    Steckhülse receptacle
    1.3 1.3
    4-Punkt-Lokatorfeld 4-point Lokatorfeld
    3 3
    Befestigungsklammer Crab
    3.1 3.1
    Mediales Klammerteil Medial clamp part
    3.2 3.2
    Laterales Klammerteil Lateral clamp part
    5 5
    Inbusschraube Allen screw
    7; 7; 7' 7 '
    Handtaster hand switch
    7.1 7.1
    Taster-Grundkörper Button base body
    7.2 7.2
    4-Punkt-Lokatorfeld 4-point Lokatorfeld
    9 9
    Tasterteil button part
    9.1 9.1
    Halter holder
    11 11
    Femur-Lokator Femoral locator
    13 13
    Femurklammer femoral
    13.1 13.1
    erstes Grundteil first base
    13.2 13.2
    Zapfen spigot
    13.3 13.3
    zweites Grundteil second base
    15 15
    Lokatorstab Lokatorstab
    15.1 15.1
    Steckhülse receptacle
    17 17
    Halbkugel hemisphere
    19 19
    Kugeladapter-Handtaster-Kombination Ball adapter manual switch combination
    21 21
    Fräser-Lokator-Kombination Router locator combination
    23 23
    Fräswelle auger
    25 25
    Fräswellenadapter Fräswellenadapter
    27 27
    Lokator locator
    29 29
    Setzinstrument-Lokator-Kombination Setting instrument locator combination
    31 31
    Setzinstrumentenschaft Setting instrument shaft
    33 33
    Schaftadapter Socket adapter
    35 35
    Hüftpfanne acetabulum
    37 37
    Markkanalahlen-Lokator-Kombination Medullary canal Ahlen locator combination
    39 39
    Markkanalahle Markkanalahle
    41 41
    Ahlenadapter Ahlen adapter

    Claims (10)

    1. Arrangement for the examination of function-determining geometric parameters of a joint in a vertebrate, in particular, a human hip or shoulder joint, in preparation for the insertion of a joint replacement implant, in particular, an acetabular or glenoid implant or an associated shaft implant, by means of an optical coordinate-measurement technique, comprising:
      - a stereo camera or camera arrangement for the spatial registration of optical sensor signals,
      - a mobile multi-point sensor (7; 37), which is designed as a mobile sensor for sensing bony references in the joint region in order to determine their coordinates;
      - a skeletally-fixed multi-point sensor (1, 3), which is designed for rigid attachment, in particular, by screwing or clamping, to an extremity extending from the joint, in particular, close to the proximal end of a femur or a humerus;
      - an interactive process-control unit for controlling the sequential registration and storage of a quantity of measuring-point coordinates delivered by the mobile multi-point sensor and of quantities of multi-point coordinates registered in a first plurality of positions of the skeletally-fixed multi-point sensor in a plurality of rotational positions of the extremity and their subsequent processing according to a previously-stored processing procedure;
      - an evaluation unit for evaluating the quantities of multi-point coordinates delivered by the multi-point sensors and registered by the camera arrangement for the purpose of determining the geometrical parameters, which comprises means for determining the transversal, vertical and sagittal body axes and means for the execution of an iterative process, in particular, an equalisation calculation according to the method of least squares, in order to determine the coordinates of the rotational centre of the joint; and
      - an output unit (Figure 6) connected to the process-control unit and the evaluation unit for the display of action requirements to an operator according to the predetermined processing procedure and dependent upon the results of the determination of the geometric parameters, and for the display of the evaluation results.
    2. Arrangement according to claim 1,
      characterised by
      a further skeletally-fixed multi-point sensor (11, 13), which is designed for rigid attachment, in particular, by screwing or clamping, to a bony, cavitary region of the joint, in particular to an iliac crest or an acetabular roof, wherein the interactive process-control unit is also designed to control the registration and storage of a quantity of measuring-point coordinates delivered by the further skeletally-fixed multi-point sensor, and the evaluation unit is designed for the evaluation of the same.
    3. Arrangement according to claim 1 or 2,
      characterised in that
      the output unit (Figure 6) is designed to display the evaluation results in a graphic display, in particular, in a synoptic-image display with a two-dimensional or three-dimensional image of the joint region obtained through an image-providing investigative technique.
    4. Arrangement according to any one of the preceding claims,
      characterised by
      a first and second adjustable clamping device (3, 13) as an adapter for fixing the first and second skeletally-fixed multi-point sensor to the joint or respectively to the extremity.
    5. Arrangement according to any one of the preceding claims,
      characterised in that
      - a third skeletally-fixed multi-point sensor is provided for substantially-rigid attachment, in particular, by means of an adjustable cuff, to a second extremity, which extends from a second hip or shoulder joint, which is not be operated; and
      - the evaluation unit is designed for the determination of geometrical parameters of the second hip or respectively shoulder joint as a reference for the geometric parameters of the first joint.
    6. Arrangement according to any one of the preceding claims,
      characterised in that
      - the mobile, multi-point sensor (1, 3) is designed for the external sensing of bony references on the second extremity extending from the joint to be replaced and optionally from the second hip or shoulder joint, or that a further multi-point sensor designed as a mobile sensor for sensing references of this kind is provided for this purpose; and
      - the evaluation unit for evaluating the measuring-point coordinates of these bony references is designed for the determination of at least one of the geometric parameters, in particular, the length of the extremity.
    7. Arrangement according to any one of the preceding claims,
      characterised by
      - a resection instrument (23), in particular, a milling or rasping device, which can be rigidly connected with the mobile multi-point sensor or with a further multi-point sensor to a geometrically-calibrated, navigable tool-sensor unit (21), in such a manner that position coordinates of an active portion of the resection instrument, in particular, of a milling head or a rasp portion can be determined from the sensor signals of this unit, and, optionally, position coordinates of a resection portion created with the resection instrument can be determined from the latter;
      - a formation of an input interface for the input of instrument parameters of the resection instrument.
    8. Arrangement according to any one of the preceding claims,
      characterised by
      - a navigable setting instrument (31), which can be rigidly connected with the mobile multi-point sensor or further multi-point sensor to a geometrically-calibrated tool-sensor unit (29) in such a manner that position coordinates of an active portion of the setting instrument can be determined from the sensor signals of this unit;
      - a formation of an input interface for the input of tool parameters of the setting tool.
    9. Arrangement according to any one of the preceding claims,
      characterised by
      - a probe, in particular, a medullary-canal awl (39) for probing a medullary canal of the extremity extending from the joint, which can be rigidly connected with the mobile multi-point sensor or a further multi-point sensor to a geometrically-calibrated, navigable probe-sensor unit (37) in such a manner that the position of the axis of the medullary canal can be determined from the sensor signals of this unit; and
      - a formation of an input interface for the input of probe parameters.
    10. Arrangement according to any one of claims 1 to 9,
      characterised in that
      the process-control unit provides means for menu control including an input stage for the input via keyboard or phonetic input of defined, real or virtual points of the joint region, and/or of relative-position vectors between such points within the joint region, or from the latter to points relevant to joint function on the extremity outside the joint region, or for the data transfer of corresponding data of a three-dimensional image from an evaluation program of an image-providing investigation, and including a display stage for a planning result.
    EP20030752711 2002-05-21 2003-02-18 Arrangement for determining function-determined geometric variables of a joint of a vertebrate Active EP1507488B1 (en)

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    DE10222416 2002-05-21
    DE10222416 2002-05-21
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